Cánh tay robot công nghiệp – Khái niệm, Ứng dụng & Lợi ích

Cánh tay robot công nghiệp

Sử dụng cánh tay robot công nghiệp trong sản xuất là giải pháp tự động hóa tối ưu giúp doanh nghiệp nâng cao năng suất lao động, tăng khả năng cạnh tranh. Vậy cánh tay robot có vai trò quan trọng như thế nào, ứng dụng ra sao? Cùng tìm hiểu qua bài viết sau.

robot cong nghiep tu van

1. Cánh tay robot công nghiệp là gì?

Cánh tay robot công nghiệp là một thiết bị được lập trình để hoạt động tương tự như cánh tay con người, với các khớp chuyển động theo một trục dọc và có thể xoay theo các hướng nhất định, được sử dụng trong sản xuất công nghiệp.

Hầu hết các robot công nghiệp được chế tạo và lập trình để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. Kích cỡ của chúng có thể nhỏ để cầm nắm để thực hiện các thao tác phức tạp, hoặc đủ lớn để nâng nhấc khối lượng nặng.

robot cong nghiep 1
Cánh tay robot công nghiệp là gì

Cánh tay robot công nghiệp lần đầu tiên được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô với công việc hàn lặp đi lặp lại. Đến nay, nhờ sự phát triển của công nghệ nó đã góp mặt trong nhiều lĩnh vực: cơ khí, y tế, thực phẩm, hàng không vũ trụ, …

Tại Việt Nam, thị trường Robot công nghiệp được cho là sẽ phát triển mạnh trong thời gian tới, cùng với việc các doanh nghiệp chú trọng vào cách mạng công nghiệp 4.0. Robot công nghiệp tăng trưởng nhiều nhất trong các ngành: Sản xuất ô tô (83%), Việt Nam hiện cũng được các chuyên gia đánh giá là thị trường tiềm năng của Robot công nghiệp với nhiều các nhà máy sản xuất sử dụng Robot như: Vinfast, Thaco…

2. Cấu tạo của cánh tay robot công nghiệp

Cánh tay robot công nghiệp thường được chế tạo bằng gang hoặc thép. Được chế tạo với các bộ phận gồm chân đế và cổ tay. Chúng giúp hỗ trợ thực hiện nhiệm vụ nâng hạ hay chuyển động của cánh tay.

robot cong nghiep 2
Cấu tạo của cánh tay robot công nghiệp

Tại các khớp của robot, sẽ được gắn bộ điều khiển để quay động cơ. Hoạt động bằng khí nén và thủy lực, cánh tay robot được cấu tạo bởi 3 phần:

2.1 Tay máy (Phần cứng)

Phần tay máy của robot công nghiệp thường được chế tạo từ gang và thép – những vật liệu có độ bền cao.

Tay máy được mô phỏng như cánh tay người, có phần cổ tay, cẳng tay, khuỷu tay, vai và chân đế. Các cánh tay robot trong công nghiệp có từ 4 – 6 khớp nối với 6 bậc tự do tương đương với 6 cách di chuyển khác nhau.

robot cong nghiep 3
Tay máy (Phần cứng)

2.2 Hệ thống điều khiển

Chịu trách nhiệm điều khiển sau khi nhận và xử lý các tín hiệu từ bên ngoài. Sau khi nhận thông tin, bộ phận điều khiển sẽ phát thông tin để động cơ dịch chuyển theo yêu cầu, hình thành một chuỗi động học. Chức năng của hệ thống điều khiển cũng được phân cấp từ đơn giản như đến chức năng phức tạp.

robot cong nghiep 4

2.3 Hệ thống quản lý và vận hành

Đây là phần mềm được cài đặt trên máy tính, nơi các kỹ thuật viên lập trình các thao tác của robot. Hệ thống điều khiển quản lý  sẽ được kết nối với nhau để truyền và nhận tin.

robot cong nghiep 5

3. Nguyên lý hoạt động của cánh tay Robot

Công việc của cánh tay chủ yếu là di chuyển sản phẩm, linh kiện từ nơi này sang nơi khác. Cùng với đó là nhặt, nâng lên, đặt xuống, tháo ra, hàn hoặc tất cả công việc đó. Nó được lập trình tự động để hoàn cảnh công việc mà người dùng mong muốn.

Tùy theo ứng dụng vào công việc nào, robot công nghiệp sẽ được bổ sung các linh kiện cần thiết. Nhưng robot sẽ luôn cần được trang bị thêm các bộ phận khác để hoạt động tốt hơn. Đó có thể là: kẹp, mỏ hàn, đầu đánh bóng. Hoặc là các thiết bị cảm biến như: cảm biến lực-mô-men, cảm biến an toàn, hệ thống quan sát.

robot cong nghiep 6

Robot giúp người dùng tự động hóa một quy trình. Quy trình đó có thể đang được làm bằng cách thủ công. Hoặc nó có thể là một quy trình mới hoàn toàn.

Có 2 yếu tố quan trọng trong hệ thống cánh tay robot. Đó là: bộ điều khiển và Teach Pendant.

  • Bộ điều khiển: điều khiển hoạt động của nó.
  • Teach Pendant: giúp lập trình cho robot.

4. Lợi ích của cánh tay Robot công nghiệp

Trong sản xuất toàn cầu hiện nay, sử dụng Robot công nghiệp là một trong những giải pháp tự động hóa tối ưu giúp doanh nghiệp tăng lợi thế cạnh tranh trên thị trường. Dưới đây là một số ưu điểm nổi bật của Robot công nghiệp:

4.1 Tính linh hoạt

Robot công nghiệp là thành phần không thể thiếu trong sản xuất linh hoạt. Đặc biệt trong các dây chuyền lắp ráp lớn, đòi hỏi các thao tác lặp đi lặp lại liên tục.

4.2 Tính chính xác

Việc Robot công nghiệp tham gia vào các công đoạn phức tạp thay thế con người giúp tăng đáng kể độ chính xác, từ đó tăng chất lượng sản phẩm, hạn chế các sản phẩm lỗi

robot cong nghiep 7

4.3 Tính an toàn

Robot công nghiệp hoạt động tốt trong các môi trường gây hại cho con người như: Nhiệt độ cao, hóa chất độc hại, hầm mỏ; chính vì vậy sử dụng Robot công nghiệp là giải pháp tăng tính an toàn trong sản xuất.

4.4 Tính nhanh chóng

Được vận hành bằng thủy lực và khí nén, các cánh tay robot công nghiệp có công suất hoạt động liên tục, khả năng làm việc ngày đêm với những thao tác và lực cố định, duy trì quy trình sản xuất liền mạch. Giá trị tạo ra của cánh tay robot được ước tính cao hơn nhiều lần so với con người tính trên cùng một lượng thời gian.

Chu kỳ nhiệm vụ, tức là thời gian nghỉ ngơi giữa các lần hoạt động hoặc bảo trì của robot khá ngắn, điều này tiếp tục giúp việc sản xuất được tối ưu, giảm thời gian chết trong sản xuất.

4.5 Cải thiện chất lượng

Con người khi làm việc dễ bị chi phối bởi những yếu tố: sức khỏe, thời tiết, không gian làm việc, … ảnh hưởng đến chất lượng làm việc. Nhưng với robot, lập trình chính xác giúp chúng hoạt động trơn tru và linh hoạt. Từ đó, thành phẩm tạo ra có tính đồng đều và nhất quán.

Ngoài ra, các cánh tay máy robot hiện đại còn tích hợp cảm biến đảm bảo tốc độ di chuyển và ước lượng độ khó khi cầm nắm, cung cấp thông tin chi tiết hơn giúp chúng đưa ra các quyết định phức tạp.

4.6 Giảm chi phí vận hành

Khoản đầu tư ban đầu để triển khai lắp đặt các cánh tay robot sẽ gây ra tốn kém, tuy nhiên tính về lâu dài, đây sẽ là phương án tiết kiệm chi phí hữu hiệu nhất. Trong làm việc, biên độ lỗi của cánh tay robot công nghiệp cực kỳ thấp, nhân công nhờ vậy sẽ hạn chế thời gian kiểm tra thành phẩm. Tính chính xác giúp doanh nghiệp giảm lãng phí trong các sản phẩm hỏng, tiết kiệm tài nguyên.

5. Ứng dụng phổ biến của cánh tay robot công nghiệp

5.1 Xếp chồng hàng hóa lên các pallet

Đây được gọi là dòng Robot Palletizing. Các thuật toán lập trình cho phép dòng robot công nghiệp này có thể gắp hàng từ ray trượt rồi xếp chồng và lấp đầy vào các pallet một cách tuần tự. Với trọng tải lớn, nhiều tay máy robot có khả năng di chuyển các vật liệu nặng như sắt, thép, gỗ, giúp con người loại bỏ nguy cơ gây thương tích.

robot cong nghiep 8

5.2 Hàn cơ khí

Hàn là một thao tác không phức tạp, nhưng có mức độ nguy hiểm cao và được sử dụng nhiều trong lĩnh vực sản xuất, chế tạo ô tô. Từ khi tay máy robot công nghiệp được ứng dụng vào trong hàn cơ khí, không chỉ con người được làm công việc an toàn hơn mà chất lượng mối hàn cũng được cải thiện đáng kể.

robot cong nghiep 9

5.3 Kiểm tra chất lượng

Thông thường, việc kiểm tra chất lượng diễn ra ở cuối dây chuyền sản xuất. Điều này làm chậm trễ việc phát hiện các vấn đề về chất lượng trong quá trình sản xuất. Được trang bị cảm biến, hệ thống nhận diện, chụp ảnh bằng camera, và trí tuệ nhân tạo AI, các dòng cánh tay robot này có khả năng xác định các bộ phận bị lỗi trước khi thành phẩm được đóng gói hoặc vận chuyển.

Vì thế, doanh nghiệp có thể nâng cao công tác quản lý chất lượng trong thời gian thực, ngay trên từng công đoạn sản xuất, giúp giảm thiểu lãng phí và thời gian chết.

robot cong nghiep 10
Combined 3D scanner and robotic arm automate scanning. Optical 3D coordinate measuring machine.

5.4 Gắp, thả sản phẩm

Robot gắp thả (Pick & Place Robot arms) thường được trang bị hệ thống nhận diện để xác định đồ vật, sau đó tự động nhặt đồ lên và đặt chúng lên bề mặt theo một vị trí và hướng đã định. Hoạt động này thường được sử dụng để phân loại sản phẩm, lắp ráp, cho vào bao bì để đóng gói, … một cách tự động, giúp gia tăng tốc độ sản xuất và phân phối hàng hóa.

robot cong nghiep 11

6. Quy trình lắp đặt cánh tay robot công nghiệp

Bước 1: Tham vấn với chuyên gia

Bước đầu, doanh nghiệp khó có thể đánh giá liệu công đoạn nào nên được thay thế tự động hóa. Trong tình huống này, các chuyên gia sẽ xem xét dựa trên đặc điểm dây chuyền sản xuất, tính chất của sản phẩm để đưa ra phương án phù hợp.

Chuyên gia sẽ chịu trách nhiệm lập kế hoạch, thiết kế và triển khai, đưa việc tự động hóa từ ý tưởng đến thực tế.

robot cong nghiep 12

Bước 2: Chế tạo và lắp đặt

Sau khi thống nhất phương án, các cánh tay robot công nghiệp sẽ được đưa vào triển khai cả phần cứng và phần mềm. Ngoài các cánh tay robot, các thiết bị cảm ứng và hệ thống điều khiển sẽ được đồng thời lắp đặt để kịp tiến độ.

Bên cạnh đó, cần phân loại nhiệm vụ nào được thực hiện bằng robot và con người cần làm những thực hiện những thao tác nào để có thể phối hợp nhuần nhuyễn trong quá trình sản xuất. Môi trường nhà máy cũng phải được chuẩn bị để tương thích với máy móc, tạo không gian hợp lý để robot thực hiện các tác vụ của mình.

robot cong nghiep 13

Bước 3: Giám sát sau lắp đặt

Không có bất kỳ công nghệ tự động hóa nào có thể làm chủ từ đầu đến cuối quá trình. Trong thời gian đó, con người vẫn cần là một mắt xích quan trọng đóng vai trò điều hành và giám sát, bảo trì khi đến hạn và xử lý kịp thời nếu có lỗi.

robot cong nghiep 14

7. Lưu ý khi lựa chọn cánh tay robot công nghiệp

Để tiến hành tự động hóa sản xuất thành công, doanh nghiệp cần lưu ý để lựa chọn kỹ lưỡng các loại cánh tay robot phù hợp.

7.1 Số trục cánh tay robot

Đối với cánh tay robot trong nhà máy, số lượng trục càng nhiều thì càng linh hoạt. Tuy nhiên, doanh nghiệp phải xem xét trên nhu cầu sử dụng. Robot dưới 5 trục sẽ phục vụ các nhiệm vụ đơn giản như nhấc, đặt sản phẩm. Với những thao tác phức tạp, cần di chuyển nhiều, doanh nghiệp nên lựa chọn robot có trên 5 trục.

7.2 Độ sải cánh tay robot

Độ sải hay tầm với là khoảng cách tối đa mà tay máy robot có thể vươn tới, được lo lường theo 2 chiều:

  • Chiều ngang: Tính từ tâm chân đế đến điểm xa nhất của bộ kẹp.
  • Chiều dọc: Khoảng cách từ điểm thấp nhất đến điểm cao nhất mà cánh tay robot có thể với.

Phụ thuộc vào nhu cầu sản xuất mà nhà máy nên lựa chọn cánh tay có ưu thế về tầm với ngang hoặc tầng với dọc.

7.3 Tốc độ của robot

Thông số này được bên bán cung cấp trong quá trình tư vấn sản phẩm, tốc độ tối đa được đo bằng đơn vị độ/giây. Hãy đảm bảo tốc độ của chúng có khả năng phục vụ hoạt động sản xuất của doanh nghiệp và có khả năng tăng tốc độ, tối đa năng suất trong thời gian cao điểm.

7.4 Trọng tải

Đo lường trọng tải có thể nâng nhấc bao gồm trọng lượng của hàng hóa và thiết bị gắp. Cánh tay robot công nghiệp có trọng tải lớn hơn sản phẩm nặng nhất trong xưởng sản xuất mới đạt yêu cầu.

7.5 Độ chính xác

Tính chính xác sẽ liên quan đến sự trơn tru trong hoạt động lặp đi lặp lại của robot. Một số cánh tay robot được thiết kế với độ chính xác cao hơn sẽ có giá thành cao hơn, do có sự ảnh hưởng qua lại với các yếu tố như chân đế, tốc độ, tầm với.

8. Phân loại cánh tay robot công nghiệp

Một số nhà sản xuất và chuyên gia ngành công nghiệp đang sử dụng các loại cánh tay robot khác nhau để tự động hóa các nhiệm vụ, tăng cường an toàn cho công nhân và tăng cường hiệu suất và năng suất tổng thể. Hơn nữa, nhiều loại cánh tay robot cũng có thể giảm thiểu lãng phí và chi phí vận hành. Các robot công nghiệp đang trở nên ngày càng phổ biến trong các loại ngành công nghiệp khác nhau. Phần này sẽ khám phá các loại chính của robot công nghiệp hiện có trên thị trường.

8.1 Cánh tay robot công nghiệp gắn khớp

Cánh tay robot gắn khớp giống như cánh tay của con người và cho phép chuyển động cơ học và cấu hình. Đây là một trong những loại cánh tay robot phổ biến nhất cho tự động hóa công nghiệp. Nó có một cánh tay cơ học duy nhất được gắn vào một cơ sở với một khớp xoay.

Robot sáu trục là loại cánh tay gắn khớp phổ biến nhất, và chúng thường có bốn đến sáu trục, cho phép phạm vi chuyển động rộng hơn. Chúng có thể tự động hóa nhiều ứng dụng robot khác nhau, bao gồm hàn cắt cung, hàn điểm, sơn, lắp ráp, loại bỏ vật liệu, xử lý vật liệu, xếp đống và nhiều ứng dụng khác.

8.2 Cánh tay Robot hình chữ nhật

Cánh tay robot hình chữ nhật còn được biết đến là robot tuyến tính hoặc robot cầu. Đây là loại robot công nghiệp làm việc trên ba trục tuyến tính bằng cách sử dụng hệ tọa độ tọa độ Descartes (X, Y và Z). Điều này có nghĩa là chúng di chuyển theo đường thẳng trên ba trục khác nhau (lên và xuống, vào và ra, và sang trái và phải). Đây là lý do tại sao loại cánh tay robot này khá phổ biến trong giới công nghiệp và nhà sản xuất đang tìm kiếm tính linh hoạt cao hơn trong cấu hình của mình.

Những robot này cung cấp cho người dùng khả năng điều chỉnh tốc độ, độ chính xác, độ dài hành trình và kích thước của cánh tay robot. Robot hình chữ nhật được định vị trên thị trường cho các ứng dụng nhỏ và thường được sử dụng cho các máy CNC và in 3D.

8.3 Cánh tay robot công nghiệp trục cống

Các robot trục trụ cũng là một loại cánh tay robot công nghiệp được thiết kế xung quanh một cánh tay đơn có khả năng di chuyển lên và xuống theo chiều dọc. Chúng có một khớp quay tại cơ sở và một khớp prismatic để kết nối các khớp. Những robot này rất nhỏ gọn và thực hiện các nhiệm vụ nhỏ và đơn giản như lắp ráp, phục vụ máy hoặc ứng dụng phủ. Loại cánh tay robot này được thực hiện với một trục quay và một cánh tay có thể mở rộng hỗ trợ chuyển động theo chiều dọc và trượt.

8.4 Cánh tay robot công nghiệp DELTA

Cánh tay robot Delta còn được gọi là “cánh tay robot song song” vì chúng thuận tiện cho ba cánh tay được kết nối với một cơ sở duy nhất được gắn trên một không gian làm việc. Loại robot này có tốc độ cao và do đó được sử dụng cho tự động hóa.

Hơn nữa, các cánh tay robot này có thiết kế độc đáo dưới dạng hình nón có khả năng di chuyển tinh tế và chính xác ở tốc độ cao. Điều này là do tất cả ba cánh tay điều khiển trực tiếp mọi khớp của bộ kết cấu cuối. Loại cánh tay robot này là một lựa chọn tuyệt vời cho các ứng dụng trong ngành thực phẩm, dược phẩm và điện tử.

8.5 Cánh tay robot cực tọa hoặc cực khí

Robot cực toạ, còn được gọi là robot cầu, có một cơ sở được ghép nối với một cánh tay có hai khớp quay và một khớp tuyến tính. Các trục robot kết hợp để tạo ra một hệ tọa độ cực, cho phép nó có một không gian làm việc hình cầu. Một trong những danh mục robot công nghiệp đầu tiên từng được tạo ra là Robot Cực. Ép khuôn, đúc ép, hàn và xử lý vật liệu là các ứng dụng phổ biến cho robot cực toạ.

8.6 Cánh tay robot SCARA

Selective Compliance Assembly Robot Arm hoặc Selective Compliance The Articulated Robot Arm được gọi là SCARA. Ba trục (X, Y và Z) chuyển động của các robot SCARA được kết hợp với chuyển động quay. So với robot hình chữ nhật, robot SCARA hoạt động hiệu quả hơn trong các chuyển động chiều ngang, di chuyển nhanh chóng hơn và tích hợp dễ dàng hơn. Các cánh tay robot công nghiệp SCARA thường được sử dụng cho các ứng dụng y sinh học, xếp dỡ và lắp ráp.

9. Xu hướng sử dụng Robot trong công nghiệp và tự động hóa

Ưu điểm lớn của cánh tay robot là có thể thay thế con người trong các môi trường có rủi ro cao như hàn, cơ khí, hóa chất, …và làm việc trong môi trường nhiệt độ dao động từ -40 độ đến 120 độ. Từ đó, phòng tránh các tai nạn lao động và giúp tiết kiệm chi phí nhân công.

Trong mô hình nhà máy thông minh, việc triển khai các cánh tay robot công nghiệp đánh dấu một bước trưởng thành lớn về tự động hóa của doanh nghiệp. Để chuyển đổi số sản xuất thành công, doanh nghiệp không chỉ cần chú trọng tới công nghệ thông tin (IT), mà còn nên lưu tâm đến công nghệ vận hành (OT).

Với những lợi ích mà cánh tay robot công nghiệp đem lại trong công nghệ vận hành, nó sẽ góp phần không nhỏ cải tiến các chỉ số: S (Speed – Tốc độ) – Q (Quality – Chất lượng) – C (Cost – Chi phí) – D (Delivery – Tiến độ). Từ đây, giúp doanh nghiệp tiến gần hơn đến giấc mơ gia nhập chuỗi cung ứng toàn cầu.

  • Ngành công nghiệp ô tô đã sử dụng robot công nghiệp trong quá trình sản xuất từ ​​nhiều năm nay: phần lớn các robot ô tô được giữ bởi các robot có khớp nối, và theo chức năng, việc hàn sử dụng nhiều nhất các robot trong ngành công nghiệp ô tô.
  • Robot công nghiệp trong ngành sản xuất hàng tiêu dùng, thực phẩm, đồ uống: Các ứng dụng gắp – thả, đóng gói, xếp Pallet…
  • Robot công nghiệp trong ngành sản xuất ô tô, xe máy: Các ứng dụng Robot hàn, cắt, gia công kim loại
  • Robot công nghiệp trong ngành điện, điện tử: Các ứng dụng liên quan đến lắp ráp, kiểm tra…

Trong các nhà máy thông minh, cánh tay robot được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Với tốc độ cao, độ chính xác lớn, độ rung thấp, cánh tay robot không chỉ có thể cải thiện đáng kể hoạt động sản xuất, giúp lắp ráp chính xác cao mà còn hoạt động ổn định khi nó di chuyển nhanh chóng đến một địa điểm cụ thể.

Bên cạnh đó, cánh tay robot cũng có thể được tùy chỉnh để làm các tác vụ hỗ trợ định lượng trong các dây chuyền sản xuất và góp phần nâng cao năng suất nhờ các báo cáo dữ liệu được trích xuất trong thời gian thực, thông qua tích hợp cảm biến, thuật toán tự học, đo lường và tích hợp với hệ thống ERP hoặc hệ thống MES trong sản xuất.

Từ việc tăng cường hiệu suất sản xuất đến giảm thiểu rủi ro cho lao động, robot công nghiệp đang mở ra những cơ hội mới cho ngành công nghiệp và xã hội. Tuy nhiên, cũng cần phải xem xét kỹ lưỡng những tác động tiêu cực có thể phát sinh, bao gồm sự thay thế lao động và tăng cường mối quan tâm về đạo đức và an ninh. Thông qua việc đảm bảo sự cân nhắc và quản lý hợp lý, chúng ta mới có thể khai thác được tiềm năng to lớn mà robot công nghiệp mang lại và đồng thời đảm bảo sự phát triển bền vững cho tương lai.